Люди давно мечтали соединить электронику и машины с телом, но это, как правило, тенденции в области научной фантастики: компьютерные чипы в мозгу, бионическое зрение, роботизированные конечности и тому подобное. Мы далеки от этого будущего, но исследования по электронным интерфейсам с телом, которые могут диагностировать и лечить болезни, уже ведутся.
В статье, опубликованной в журнале Science Advances, ученые из Чикагского университета описывают, как кремниевые нанопроволоки, микроскопические фрагменты того же материала, что и компьютерные чипы, могут быть встроены в отдельные клетки. Попав внутрь, нанопроволока может быть стимулирована для проведения измерений, манипулирования внутренними компонентами клетки или доставки лекарств и генетической терапии.
"Вы можете рассматривать его как негенетическую, синтетическую биологическую платформу", - сказал Божи Тян, доктор химических наук, доцент кафедры химии и старший автор нового исследования. "Традиционно в биологии мы используем генную инженерию и модифицируем генетические части. Теперь мы можем использовать кремниевые детали, и кремний может быть интернализирован. Вы можете направить эти части кремния на определенные части клетки и модулировать это поведение с помощью света."
В новом исследовании Тян и его команда обнаружили, как клетки потребляют или усваивают нанопроволоку через фагоцитоз, тот же процесс, который они используют для поглощения питательных веществ и других частиц в своей среде. Нанопроволока просто добавляется в клеточные среды, жидкий раствор, в котором живут клетки, точно так же, как вы можете вводить лекарство, и клетки берут его оттуда. В конечном счете, целью будет введение их в кровоток или производство в форме таблеток.
После первого контакта с нанопроволокой, клеточная мембрана расширяется по всей длине, поглощая частицы. Это приводит к полной или частичной инкапсуляции SiNW в ячейку.
Попав внутрь, нанопроволока может напрямую взаимодействовать с отдельными частями клетки, органеллами, такими как митохондрии, ядро и цитоскелетные нити. Исследователи могут затем стимулировать нанопровода светом, чтобы увидеть, как отдельные компоненты клетки реагируют, или даже изменить поведение клетки. Они могут находиться в камере до двух недель, прежде чем подвергнуться биологическому разложению.
В настоящее время стандартная технология записи и измерения электрической стимуляции в клетке, называемая патч-зажим, измеряет эти сигналы по всей клеточной мембране. Это дает показания о поведении клетки в целом, но нанопроволока позволила бы гораздо более точно и целенаправленно исследовать клетку.
Информация о том, как отдельные части клетки реагируют на стимуляцию, может дать исследователям представление о том, как медицинские процедуры, использующие электрическую стимуляцию, работают. Например, глубокая стимуляция мозга помогает лечить тремор от двигательных расстройств, таких как болезнь Паркинсона, посылая электрические сигналы в области мозга.
В экспериментах в исследовании использовались клетки сосудов пуповины эндотелия, из которых формируются прокладки кровеносных сосудов в пуповине. Эти клетки легко поглощали нанопроволоку, а вот другие, например, клетки сердечной мышцы, этого не делали.
Тян и его команда производят нанопроволоку в своей лаборатории с помощью системы химического осаждения из паров кремния, которая выращивает кремниевые структуры в соответствии с различными спецификациями. Они могут регулировать размер, форму и электрические свойства по мере необходимости или даже добавлять дефекты специально для тестирования. Они также могут изготавливать провода с пористой поверхностью, которые могут доставлять лекарства или генетический материал в клетки. Этот процесс дает им различные способы манипулировать свойствами нанопроволоки для проведения исследований.
"Исследования здесь действительно важны для понимания того, как именно эти материалы взаимодействуют с клеточными системами", - сказала Рамья Парамешваран, доктор медицины и соавтор исследования в лаборатории Тяна. "Исследования, которые мы провели в этой статье, помогают нам понять, как определенные клетки интернализируют эти нанопроволоки, чтобы мы могли использовать их во многих областях".
Исследования клеточных интерфейсов на основе кремниевой нанопроволоки ведутся менее 10 лет, поэтому еще многое предстоит узнать об их потенциале для исследований и лечения. Но Тян и его команда рассматривают эту технологию как потенциальную альтернативу более постоянным генетическим методам.
Нанопроволока позволяет ученым иметь более переходную синтетическую биологию, а не постоянную генетическую модификацию.
